(57)【要約】【課題】  ガラス表面にはシラノール基などの水酸基が数多く存在し、これに異物等が付着し、一旦付着すると除去しにくい。このような汚れが付着したまま、表面に金属膜等を堆積すると汚れ部分から膜の剥離が生じやすく、膜の品質が劣化する。このため金属膜を成膜する前にガラス表面を清浄に保つため、洗浄工程が煩雑になりやすく、これを改善する必要があった。【解決手段】  本発明の反射型光学素子は、所定の表面形状を有する固体の表面に反射層が形成されていて、その固体表面が清浄である場合の水の接触角を５０°以上とする。これはメチルトリエトキシシランとテトラエトキシシランの混合物を主成分とするゲル膜を用いることによって実現できる。本発明の成形体はメチルトリエトキシシランを含有するため、メチル基が表面に多く存在し、水に対する接触角を大きくすることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の表面形状を有する固体の表面に反射層が形成された反射型光学素子において、前記固体表面が清浄である場合の水の接触角が５０°以上であることを特徴とする反射型光学素子。
【請求項２】
前記固体の表面形状はメチルトリエトキシシランとテトラエトキシシランの混合物を主成分とするゲル膜を成形して形成したものであることを特徴とする請求項１に記載の反射型光学素子。
【請求項３】
前記メチルトリエトキシシランとテトラエトキシシランの混合物におけるメチルトリエトキシシランの混合比は１０％以上９０％以下であることを特徴とする請求項２に記載の反射型光学素子。
【請求項４】
前記反射層は金属層であり、前記成形して形成された固体表面に密着して成膜されていることを特徴とする請求項２に記載の反射型光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光通信分野や分光光学分野で使用される回折格子等の光学素子に関し、とくにその反射光を利用する反射型光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
回折格子は分光光学素子あるいは光分波素子として広く利用されている光学素子である。複数の溝形状が一方向かつ一定周期間隔で基体表面あるいは基体内部に形成されており、各溝の斜面で反射した光が干渉現象を起こすことにより波長分解され分光が可能になる素子である。回折格子のうち、反射される光の干渉現象を利用している回折格子は反射型回折格子と呼ばれる。
【０００３】
従来の回折格子には、ガラスあるいは金属の基体表面に上述のような溝形状を加工して形成したものが知られている。しかしこのような回折格子は、精密機械加工や気相エッチングを用いて微細な溝構造を高い精度で加工する必要があり、大量生産には適していない。
【０００４】
そこで成形加工による方法が広く用いられるようになっている。樹脂の成形による場合は、ガラス等の基板上に流動性をもったエポキシ樹脂等を展開し、これに周期的な凹凸構造が形成された成形型に押し当てた後、硬化させることによって作製されるのが一般的である。これらの成形による方法は、一旦、精度の高い成形型を製作しておけば、これを繰り返し使用できるため、大量生産に適している。
【０００５】
なお、回折格子を反射型として使用する場合は、溝構造表面を通常、アルミニウム等の金属膜によって被膜して表面の反射率を増大させる。この反射膜の成膜方法としては、スパッタリング法や真空蒸着法等が一般的であるが、成形型上に塗布した離型剤上に金属膜を蒸着した後、成形用樹脂を展開して樹脂表面に金属膜を付着させる方法を用いることもできる。
【０００６】
このように樹脂成形品は量産性が高く価格も安価であるが、高温や高湿の環境下で劣化しやすいという欠点がある。とくに高温、高湿下ではガラス基板と樹脂層の界面、または樹脂層と金属膜の界面において剥離が生じやすい。高温、高湿下では樹脂とガラス、樹脂と金属膜の付着力がともに充分でない場合が多いためである。
【０００７】
また、樹脂は硬度が充分でない場合が多く、成形後に切断し、洗浄する際、傷が入りやすい。とくに切断時の砥粒による擦傷が問題になる場合が多い。さらに樹脂は一般に表面を洗浄するための洗浄剤として通常利用される酸やアルカリ、有機溶剤に対する耐性が弱いため充分な洗浄ができず、汚れが完全に落とせないという難点もある。
【０００８】
上述のような樹脂成形法による回折格子の問題点を改善するため、ゾルゲル法と成形法を組み合わせたいわゆるゾルゲル成形法が開発された（例えば、特許文献１参照）。この方法では、ガラス等の基板上にテトラエトキシシラン等の有機珪素化合物を含むゾル溶液を塗布し、これを成形型によって成形しつつ加水分解、縮重合反応を行い、離型後に焼成する。充分な焼成によって有機成分を完全に除去することにより、ほぼ石英ガラスに近い組成物からなる回折格子を得ることができる。
【０００９】
型成形によるため大量生産に適しているにもかかわらず、得られた回折格子は耐熱、耐湿性に優れていて成形部が剥離することはない。また、高温、高湿下での金属膜との付着力も良好である。また樹脂に比べて硬度が高く損傷を受けにくい。
【特許文献１】特開平６−１１４３３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしガラス基板を表面加工したガラス製回折格子、またはゾルゲル成形法を用いた従来の成形回折格子の場合、次のような問題点があった。
【００１１】
ガラス表面には異物が付着しやすく、これらは洗浄によって除去しにくい。これはガラス表面には必然的にシラノール基（−Ｓｉ−ＯＨ）などの水酸基が数多く存在し、これに異物等が付着し、一旦付着すると除去しにくいことによる。このような汚れが付着したまま、表面に金属膜等を堆積すると汚れ部分から剥離が生じやすく、膜の品質が劣化する。
【００１２】
このため金属膜を成膜する前にガラス表面を清浄に保つため、洗浄工程が煩雑になりやすかった。回折格子では平坦なガラス表面より、表面積が大きくなるため、このような問題点はより深刻となる。
【００１３】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、その目的は、
耐候性が良好な反射型光学素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の反射型光学素子は、所定の表面形状を有する固体の表面に反射層が形成されていて、その固体表面が清浄である場合の水の接触角を５０°以上とする。
このような表面は水に対する濡れ性が低く、このため汚れが付着しにくいので、その表面に形成した反射層の密着性を高くすることができる。また成形層の耐候性が高くなり、また耐薬品性、耐擦傷性も向上させることができる。
【００１５】
この固体の表面形状はメチルトリエトキシシランとテトラエトキシシランの混合物を主成分とするゲル膜を成形して形成するのが望ましい。メチルトリエトキシシランを含有するため、メチル基が表面に多く存在し、水に対する接触角を大きくすることができる。
【００１６】
とくにメチルトリエトキシシランとテトラエトキシシランの混合物におけるメチルトリエトキシシランの混合比は１０％以上９０％以下であることが望ましい。
メチルトリエトキシシランの混合比が１０％以上であれば、水の接触角を５０°以上にすることができる。ただし、基板との付着力を確保するために、テトラエトキシシランを少なくとも１０％は混合することが望ましい。
【００１７】
また反射層は金属層であり、成形して形成された固体表面に密着して成膜する。これによって下地の成形層表面の状態を直接膜の付着状態に反映させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
ゾルゲル材料としてメチルトリエトキシシランとテトラエトキシシランの混合物を用いることにより、成形層の耐候性が高くなり、また耐薬品性、耐擦傷性も向上させることができる。また成形後の表面にメチル基が多く存在するため、水に対する濡れ性が低く、汚れの付着を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明のゾルゲル成形法を用いて作製した反射型回折格子の断面模式図を図１に示す。ガラス基板２上にゾルゲル材料を成形して溝構造を転写した成形体４を形成し、その表面に反射層６を形成してある。
このような成形体表面に異物が付着しにくい状態とするため、本発明においては成形材料としてメチルトリエトキシシランとテトラエトキシシランの混合物を採用する。
【００２０】
ガラス基板との付着力はテトラエトキシシランが加水分解・縮重合することでＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合が生じることにより強固となる。また、成形材料がメチルトリエトキシシランを含みＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合とＳｉ−ＣＨ3結合からなり耐熱性や耐湿性が高いため、高温高湿下でも成形材料自身も劣化しにくく、耐候性が高い。また、耐薬品性、耐擦傷性も高い。
【００２１】
また、成形後の切断時にも充分な硬度を持たせることができ、耐擦傷性が高く、また酸、アルカリ、有機溶剤に対する耐薬品性も強く、切断後に充分な洗浄が可能となる。
【００２２】
このような成形体として基本的な耐候性に優れるだけでなく、成形層の最表面がメチルトリエトキシシランに起因するメチル基により被覆されるため、通常のガラス表面に比べて不活性で汚れにくい表面が得られる。したがって特別な処理を行うことなく比較的容易に均一な金属膜が形成できる。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明の実施例を説明する。
本発明における反射型回折格子の製造工程を図２に示す。成形には樹脂製の成形型１１を用いた。その表面にＡｌ／Ｃｒ／Ｐｔ／Ａｕから構成される金属膜を成膜し、離型膜とした。一方、ガラス基板１２にメチルトリエトキシシランとテトラエトキシシランを混合した酸水溶液を主成分とするゾル液１３を塗布する（図２（ａ））。なお、メチルトリエトキシシランとテトラエトキシシランの混合比は８：２とした。
【００２４】
ゾル液のゲル化をある程度進行させ、ゲル膜１４が柔らかい状態で成形型の表面形状を転写させる。具体的には成形型１１と基板１２とをプレス機１５に取り付け（ｂ）、プレス機１５内を真空にして成形型１１をゲル膜１４に押し当てる（ｃ）。押圧したまま６０℃で保持し、成形されたゲル膜１４ａを硬化させた後、プレス機１５内部を大気圧に戻し、成形型１１をゲル膜１４ａから離型する（ｄ）。その後、３５０℃で熱処理した（ｅ）。３５０℃程度の熱処理では脱水縮合反応は進行するものの成形体中のメチル基は分解して脱離することはなく成形体中に残留する。
【００２５】
この成形回折格子を実験室内で１ヶ月保管したのち、洗浄せずに金（Ａｕ）を反射膜として成膜した（図２（ｆ））。さらに保護膜としてＳｉＯ2層などを成膜してもよい。
【００２６】
このように作製した反射型回折格子の光学特性の評価として回折効率を測定した。測定は波長１５５０ｎｍの平行光を入射角４６．２°で入射させて行った。
【００２７】
この回折格子と比較のため市販のエポキシ樹脂製成形体（金属膜付き）とを８５℃、８５％の恒温恒湿下で２０００時間保持したのち、再度、光学評価を実施した。その結果、ゾルゲル回折格子では光学特性に変化は見られなかったが、エポキシ樹脂製成形体はエポキシ層が一部剥離し、表面の金属膜も剥離しており、光学評価できなかった。
【００２８】
以上の結果から、成形材料をメチルトリエトキシシランとテトラエトキシシランを混合した材料としたことで、高温高湿下でも劣化せず、かつ成膜前に洗浄等を実施しなくても耐候性の良好な反射膜が成膜できることが示された。
【００２９】
さらにここで用いたメチルトリエトキシシランを含むゾル液を成形、硬化させた後の固体表面とガラス材料の表面状態のちがいを定量的に把握する目的で、これらの表面における水の接触角θを評価した。接触角θは図３に示すように定義される。実際の測定は、接触角計を用いて行った。試料固体表面における水滴の形状を拡大して画像表示し接触角を求める方法である。
【００３０】
評価対象の材料表面２０を清浄にするため紫外線を照射したのち、純水の水滴２４を滴下し、接触角θを測定した。ガラス表面の接触角は２°から３°程度であったのに対し、上記のゾルゲル材料層表面では約６０°であることがわかった。紫外線を照射しないと接触角は８０°を越えた。
【００３１】
さらにメチルトリエトキシシランとテトラエトキシシランの混合比を種々変えて接触角を評価した。図４は接触角に及ぼすテトラエトキシシランの混合比の影響を示す図である。テトラエトキシシランのみでは、接触角は３０°程度と小さいが、メチルトリエトキシシランがわずかでも含まれると接触角は急激の増加し、３０％以上含まれると８０°を越えるようになる。本発明のゾルゲル材料層は表面にメチル基が存在するため、水に対する濡れ性が低く、このため汚れが付着しにくいことがわかる。
【００３２】
接触角がおよそ５０°以上であれば、汚れ難さについての効果が発揮される。したがってメチルトリエトキシシランは１０％程度以上混合すれば十分である、なお、図４に示す実験から接触角のみの観点でみれば、メチルトリエトキシシランが１００％であっても問題がないが、ガラス基板への付着力の点からテトラエトキシシランが少なくとも１０％程度以上含有されることが望ましい。
【００３３】
つぎに成形によって得られた回折格子を所定の寸法に切断する工程が含まれる場合について説明する。上記同様の条件で成形した回折格子基板にワックスを塗布して固定した後、スライサで切断する。切断後、ワックス及びガラス切り子を除去するため、市販洗浄剤で超音波洗浄した。その後、実験室内で１ヶ月保管し、洗浄せずに反射膜としてＡｕを成膜し回折効率を評価した。
【００３４】
また比較のため、同様にガラス製回折格子を切断、洗浄した後、１ヶ月実験室内で保管した。これを洗浄せずに反射膜としてＡｕを成膜し、回折効率を評価した。評価後、両回折格子を８５℃、８５％の恒温恒湿下で２０００時間保持したのち、再度、回折効率の評価を実施した。
【００３５】
その結果、成形による回折格子では外観、光学特性ともに変化は見られなかったが、ガラス製回折格子は局所的に金の膜が一部剥離しており、剥離部分を組成分析すると切断時の固定用ワックスと推定される物質がガラスと金の間に存在していたことが明らかとなった。
さらに、市販の樹脂製回折格子を同様に切断、洗浄したところ、洗浄時に樹脂層が剥離し光学特性を評価できなくなった。
【００３６】
以上の結果から、本発明の回折格子は、成形後に切断、洗浄し、実験室で１ヶ月保管した後に反射膜を成膜しても耐候性の良い反射膜が形成できることがわかる。これは、ゾルゲル材料にメチルトリエトキシシランとテトラエトキシシランの混合物を用いたため、成形層の耐候性が高くなり、また耐薬品性、耐擦傷性も向上したことによる。切断工程時に傷が入らず、切断後の洗浄が容易に行え、また、汚れ落ちが改善するため耐候性が向上する。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
以上では、光学素子の例として回折格子について説明したが、これに限られない。曲面鏡や光ディスクなど反射を利用する多くの光学素子に本発明は適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の反射型光学素子の一例を示す断面模式図である。
【図２】本発明の反射型光学素子の製造工程を示す流れ図である。
【図３】接触角の定義を示す図である。
【図４】接触角に及びすテトラエトキシシランの混合比の影響を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
２、１２  ガラス基板
４  成形体
６、１６  反射層
１１  成形型
１３  ゾル液
１４  ゲル膜
１５  プレス機
２４  水滴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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